Тепло открывает светофор

По серой, поблескивающей после дождя ленте шоссе стремительно летит автомашина. Несколько тысяч километров прошла она, лишь изредка останавливаясь ненадолго для отдыха водителя – и заправки горючим. Но ровно гудит ее мотор, вся она готова к новому прыжку на новые тысячи километров.

А попробовали ли вы представить себе, какую чудовищную неутомимость имеют детали ее мотора, прошедшего тысячекилометровый пробег?

Ведь за это время коленчатый вал двигателя сделал более двух с половиной миллионов оборотов! Каждые 60 секунд он делал 3600 оборотов, испытывал более 7 тысяч ударов от взрыва рабочей смеси, толкающей поршень!

Многие детали машины за это время выполнили еще большее количество рабочих операций. Так, поршни сделали более пяти миллионов ходов, более пяти миллионов раз изменили направление движения. Почти полтора миллиона раз открылся и закрылся каждый из клапанов цилиндра.

Полтора миллиона ударов металла о металл!

А ведь автомобиль пробегает до ремонта не тысячу километров, а в сотни раз больше. В умелых руках хорошего водителя он проходит и 400, и 500 тысяч километров без смены мотора. Уже за миллиард зайдет счет оборотов, сделанных за это время его коленчатым валом!

Из какого же сверхпрочного металла он сделан, что его шейки не перетираются насквозь за это время, что тело не разрушается от бесчисленных толчков и ударов? Ведь они обрушиваются на него, несмотря на все инженерные ухищрения, направленные к тому, чтобы облегчить его работу и продлить жизнь.

Наверное, вы будете удивлены, если узнаете, что валы изготовляют из обыкновенной конструкционной стали, и лишь в некоторых случаях – из низколегированной стали. А «сверхживучими» их делает специальная химико‑термическая обработка. С ее помощью сделали очень твердыми поверхностные слои шеек вала, которые испытывают трение в опорах, но пластическим, вязким, способным сопротивляться ударам оставили все остальное тело вала. Эта химико‑термическая обработка называется цементацией.

Они сошьют прочный панцирь металла.

Цементация – это внедрение в поверхностные слои стального изделия углерода. Как известно, в холодном состоянии железо может неограниченно долго находиться в соприкосновении с углеродом и ни один атом углерода не проникнет в металл. Десятилетиями возят каменный уголь в металлических вагонах, но состав их обшивки не изменяется, железо остается мягким. Да это и понятно: мы знаем, что железо при комнатной температуре почти не растворяет в себе графита.

Совершенно иной становится картина при нагреве до достаточно высокой температуры. Железо меняет свою кристаллическую структуру и приобретает способность растворять до 2 процентов углерода. К тому же усиливается тепловое движение молекул и диффузия – проникновение молекул одного вещества между молекулами другого – становится особенно активной. За счет диффузии и осуществляется насыщение поверхностного слоя металла углеродом. Тепло как бы открывает светофор молекулам, внедряющимся в металл.

Вот как осуществляется цементация.

Подлежащие цементации изделия очищают от окалины и загрязнений, которые могут оказаться препятствием на пути диффундирующих в металл атомов углерода. Те места, которые не должны подвергнуться цементации, наоборот, защищают специальной обмазкой или покрывают медью ё гальванической ванне.

Затем берут большие стальные ящики. На дно их насыпают слой вещества, содержащего большое количество углерода – чаще всего березового угля, смешанного с углекислым барием. На этот слой укладывают цементируемые детали и засыпают этой же смесью. Ящики закрывают стальными крышками, а щели тщательно замазывают огнеупорной глиной.

Затем ящики ставят в печи и выдерживают их при температуре 900–920 градусов в течение нескольких часов – в зависимости от требующейся глубины цементации. Слой толщиной в 1 мм насыщается углеродом в течение 7–10 часов, в зависимости от температуры в печи.

В последние годы такую цементацию начинает вытеснять газовая. Цементируемые изделия загружают прямо, без всяких ящиков в герметически закрываемую муфельную печь и, после того как температура в ней поднимется до 920–950 градусов, туда пускают какой‑либо газ, содержащий углерод, – метан, окись углерода, ацетилен и т. д. Высокая температура разлагает газы, и выделившийся углерод отлагается на изделиях. Молекулы его и диффундируют в металл.

Газовая цементация имеет целый ряд преимуществ. Она дешевле, так как отпадает необходимость в ряде операций подготовки деталей к обработке. Она занимает в два‑три раза меньше времени, а значит, требует меньших затрат топлива. Рабочие, ведущие газовую цементацию, заняты более легким и производительным трудом. Все эти причины и объясняют, почему газовая цементация все шире внедряется в самые различные отрасли нашего машиностроения.

Цементация – не единственный из применяемых сегодня на наших заводах видов химико‑термической обработки стали. Поверхностные слои стали нередко насыщают одновременно с углеродом еще и азотом. Этот процесс называется цианированием. Он длится всего 10–15 минут. Глубина цианированного слоя колеблется в пределах 0,3–0,7 мм. Насыщают поверхностные слои и одним азотом. Азотирование упрочняет металл и повышает его коррозионную стойкость. И металлы бывает целесообразно ввести в поверхностный слой стали. Для повышения жароупорности ее вводят туда алюминий. Если требуется повысить твердость и коррозионную стойкость, применяют хромирование. В тех случаях, когда надо получить стойкую против действия кислот поверхность, в нее внедряют кремний. Бор вводят для повышения износостойкости, бериллий – жароупорности. Разработаны методы насыщения поверхностного слоя металла ванадием, вольфрамом, молибденом, марганцем, кобальтом, цирконием.

Не только стали, а и многие другие металлы подвергают химикотермической обработке. Так, титан насыщают азотом – это повышает износостойкость его поверхности. Верхний слой молибденовых изделий силицируют – насыщают кремнием – для повышения жароупорности и т. д. и т. п.

Далеко простирает химия руки свои!

Младший брат стали

Да, конечно, речь идет о чугуне. А младшим братом его назвали не по возрасту: из железа родится сначала чугун, и только потом из него выплавляют сталь. Младший он по роли, играемой в жизни человека.

Но надо поговорить и о нем. Ведь и юн по мере своих слабых сил служит людям, и за его прочность ведут борьбу металлурги.

Чем же чугун отличается от стали?

Химик ответит: большим содержанием углерода.

Инженер‑конструктор с горечью заметит, что главное отличие чугуна от стали – это его малая прочность на разрыв и изгиб и неспособность к пластической деформации.

Литейщик, наоборот, с уважением отзовется о чугуне: он обладает лучшими литейными качествами, легче плавится.

А специалист‑металлург может прочесть целую лекцию об удивительно полезных качествах, которыми обладает чугун, но которых лишена сталь. Он напомнит, что, во‑первых, один из видов чугуна, серый чугун, хорошо обрабатывается резцами – он мягок и дает ломкую мелкую стружку; во‑вторых, он очень удобен в тех случаях, когда металлические детали скользят друг по другу (по‑инженерному говоря, он обладает хорошими антифрикционными свойствами); в‑третьих, чугун хорошо гасит вибрации; в‑четвертых, нечувствителен к дефектам поверхности и т. д. и т. д.

Да, все это так. Но главное – прочность. И прав инженер‑конструктор, который считает чугун значительно менее ценным материалом, чем сталь.

Металлурги давно пытаются повысить прочность чугуна. Если чугунную отливку охлаждать сравнительно быстро, ее металл приобретет в целом мелкокристаллическую структуру и будет матово‑белого цвета, Такой чугун так и называют – белым. Весь углерод в этом чугуне находится в виде цементита– химического соединения железа с углеродом.

Цементит очень тверд, и белый чугун не поддается обработке самыми лучшими стальными резцами. Его нельзя и ковать – он хрупок и от удара молотом раскалывается. Очень мало практических применений имеет белый чугун. Он идет только на переплавку в сталь и передел в другие виды чугуна.

При медленном остывании в чугуне выделяется чистый графит. Обычно он имеет форму тонких лепестков, внедрившихся между кристаллами металла. Структура этих кристаллов такова же, как и у сталей. Следовательно, главное отличие серого чугуна от сталей состоит в наличии чистого графита.

Такой графит – скверный союзник металлу. Он очень непрочен, непластичен. Поэтому серый чугун можно представить себе как сталь, пронизанную огромным количеством трещин, заполненных графитом. Эти трещины и являются главной причиной непрочности чугуна.

Значит, надо сделать, чтобы эти трещины имели как можно меньшие поверхности. Раз уж надо найти в металле место для размещения излишнего оказавшегося здесь углерода, пусть камеры для него имеют минимальную поверхность, то есть будут шарообразными. В этом случае наличие графита будет меньше всего снижать прочность металла.

Чтобы получить именно такую структуру графитовых включений, в металл вводят магний или церий. Совсем немного магния – всего около 0,1 процента – может раствориться в чугуне, но влияние и этой крохотной добавки колоссально. Включения графита приобретают шарообразную форму.

Добавляют в чугун с целью улучшить его качество и другие присадки– кальций, кремний, алюминий и т. д. Застывая, чугун с такими присадками образует равномерную структуру с весьма размельченным графитом.

Этот процесс облагораживания чугуна добавкой примесей, способствующих измельчению графитовых включений и их формированию в шарики, называется модификацией, а сам чугун – модифицированным.

На какие только ухищрения не идут металлурги, чтобы повысить качество чугуна!

Из белого чугуна (причем стараются, чтобы в нем совсем не было выделившегося графита, то есть, чтобы он был совсем «белым») металлурги научились получать ковкий чугун.

Нет, конечно, ковать ковкий чугун нельзя. От ударов молота он просто расколется. Да и что от него ожидать – ведь он все‑таки остается чугуном! Но его прочностные свойства приближаются к свойствам некоторых сталей.

Итак, отливку из белого чугуна кладут в ящик, засыпают песком и ящик помещают в печь. В течение 20–25 часов – целые сутки напролет– металлурги нагревают печь до температуры в 950–1000 градусов. Затем эту температуру выдерживают в печи более полусуток – 15 часов. Несколько часов длится и охлаждение отливок до температуры в 700 градусов. И еще больше суток остается отливка в печи с такой температурой. 70–80 часов длится весь процесс отпуска белого чугуна, процесс превращения белого чугуна в ковкий. А иногда он растягивается и на 140–170 часов.

Опытные кулинары.

Впрочем, есть тенденции и к сокращению его до 30 часов и меньше.

В процессе отпуска происходит разложение цементита и выделение графита в форме хлопьев, имеющих лишь несколько большую поверхность, чем шарообразные включения модифицированного чугуна. И соответственно оказывается несколько меньшей прочность ковкого чугуна по сравнению с модифицированным. Усилия металлургов не пропадают даром.

Изделия из чугуна нередко соперничают со сталью. Да, из чугуна отливают трубы, и не только те, от которых не требуется прочности, но и работающие под давлением. Да, из чугуна делают поршневые кольца, используют его хорошие антифрикционные свойства. Но то, что из лучших сортов чугуна ухитряются делать даже коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания, вас, наверное, удивит.

А вот прокатывать чугун еще не научились.

Все, конечно, помнят прекрасное стихотворение Н. А. Некрасова о железной дороге. В начале его есть строчки:

Быстро лечу я по рельсам чугунным,

Думаю думу свою…

Нет, поэт ошибся, железнодорожные рельсы не делают из чугуна. Чугунные литые рельсы, хрупкие, непрочные, применялись только на самой заре развития железнодорожного транспорта. Уже в 1820 году они были вытеснены в Англии прокатанными стальными. Да и в России в 1839 году начали катать стальные рельсы. И именно они легли на шпалы железной дороги, соединившей в 1851 году Москву и Петербург, дороги, вдохновившей поэта на один из шедевров русской поэзии.

Кроме углерода, в чугуне всегда есть и другие примеси, оказывающие влияние на его свойства.

Прежде всего среди этих веществ надо отметить кремний. Наличие этого элемента способствует выделению графита. Чем больше кремния, тем легче получается при застывании расплава серый чугун.

Марганец оказывает обратное действие. Говорят, что он способствует отбеливанию чугуна.

Таково же примерно действие серы. К тому же она делает чугун «густоплавким» – плохо заполняющим форму. Поэтому не допускают ее содержания в чугуне выше 0,1 процента.

Фосфор не оказывает никакого влияния на графитизацию. Из механических свойств чугуна он особенно повышает его хрупкость, то есть ухудшает его качество. Однако есть одна область применения чугуна, где фосфору прощают его дурные свойства.

…Во всех лучших музеях мира можно увидеть удивительно изящные, блестящие черной поверхностью металла скульптуры. Среди них и нелепая фигура Дон‑Кихота, и распластавшаяся над степью в стремительном полете тачанка, и старушка, присевшая за прялку. Здесь же можно увидеть удивительной красоты вазы, к стенкам которых, кажется, приклеились травинки и листики – такие живые, каждая жилка видна. А рядом ажурное кружево решетки, строгие линии светильника… Это каслинское литье.

Более двухсот лет, с 1747 года, существует в Челябинской области Каслинский чугунолитейный завод. И более двухсот лет удивляют его мастера умением отливать из грубого, неподатливого чугуна эти прекрасные ажурные вещи.

Одним из секретов их производства является использование фосфористых чугунов.

– Да, – говорят они, – фосфор снижает механические свойства чугуна, делает его более хрупким. Но мы и не предназначаем наши отливки для использования в качестве молотков или зубил. Не так уж много, по нашему мнению, придется им выдерживать ударов или переменных нагрузок. Но зато фосфор делает чугун жидко‑текучим, медленно застывающим, заполняющим все мельчайшие изгибы формы. Это в нашем деле куда важнее ударной прочности металла.

Да! Чугун – отличный литейный материал. Ведь он обладает удивительным и редким свойством – застывая, увеличиваться в объеме. Только вода еще обладает этим же свойством. Поэтому лед плавает в воде, твердый чугун – в расплавленном. Когда чугун, остывая, становится тестообразным, из него начинает выделяться графит. Он имеет весьма небольшой удельный вес и поэтому занимает сравнительно много места. И он заставляет отливку раздаться вширь, увеличить свой объем. В это время и происходит заполнение всех углублений формы, в которую он залит.

…Как мы видим, все усилия младшего брата догнать по своим совершенствам старшую сестру пока тщетны. Да это и не нужно: у чугуна своя судьба – быть не соперником, а помощником и другом стали.